【Java】实现一个简单的线程池

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一、线程池的模式

线程池顾名思义就是管理线程的一个池子，我们把创建线程的过程交给线程池来处理，而这个线程池当中的线程都会从阻塞队列当中取获取任务执行。

我们不在直接把任务的创建过程写到我们初始化的线程对象中，而是通过调用线程池的execute()方法，同时把我们的具体任务交作为参数传给线程池，之后线程池就会把任务添加到阻塞队列当中，而线程池当中的线程会从阻塞队列当中获取任务并执行。

二、线程池的一些参数 

  1. corePoolSize：线程池核心线程大小，即最小线程数（初始化线程数）。线程池会维护当前数量的线程在线程池中，即使这些线程一直处于闲置状态，也不会被销毁，除非设置了allowCoreThreadTimeOut。
  2. maximumPoolSize：线程池最大线程数量。当任务提交到线程池后，如果当前线程数小于核心线程数，则会创建新线程来处理任务；如果当前线程数大于或等于核心线程数，但小于最大线程数，并且任务队列已满，则会创建新线程来处理任务。
  3. keepAliveTime：空闲线程的存活时间。当线程池中的线程数量大于核心线程数且线程处于空闲状态时，在指定时间后，这个空闲线程将会被销毁，从而逐渐恢复到稳定的核心线程数数量。
  4. unit：keepAliveTime的存活时间的计量单位，通常使用TimeUnit枚举类中的方法，如TimeUnit.SECONDS表示秒级。
  5. workQueue：任务队列。用于存放等待执行的任务，常见的实现类有LinkedBlockingQueue、ArrayBlockingQueue等。
  6. threadFactory：线程工厂。用于创建新的线程，可以自定义线程的名称、优先级等。
  7. handler：拒绝策略。当任务无法执行（如线程池已满）时，可以选择的策略有：AbortPolicy（抛出异常）、CallerRunsPolicy（调用者运行）、DiscardOldestPolicy（丢弃最老的任务）、DiscardPolicy（无声丢弃）。

三、代码实现

因为我们只是简单的实现，所以有一些情况和实际不太相似。

1.BlockingQueue

先来看看我们阻塞队列当中的一些参数，为了在多线程环境下防止并发问题，我使用了ReentrantLock，使用它的目的是为了创建多个不同的阻塞条件。

在我们调用一个对象的await()方法后，我们的当前线程就会加入到一个特定的队列当中去等待，直到有调用了这个对象的notify()方法后才会从这个队列中抽取一个线程唤醒。

举个例子，我们去医院的时候，一个医生同一时间只能看一个病人，剩下的人都只能等待，如果只有一个大厅的话，看不同病的病人都只能等待在一个候诊室中。使用ReentrentLock的意思就是为了创建多个不同的候诊室，将不同医生的病人分开在不同的候诊室当中。

    //1.阻塞队列private Deque<T> deque = new ArrayDeque<>();//2.实现阻塞的锁private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();//3. 生产者等待条件private Condition fullWaitSet = lock.newCondition();//4.消费者等待条件private Condition emptyWaitSet = lock.newCondition();//5.阻塞队列的大小private  int CAPACITY;

在自定义的阻塞队列中，我使用了一个双向队列来存储任务，并且设置了一个队列大小的属性，在我们创建这个队列的时候我们可以进行初始化。

先来看看阻塞队列任务的添加过程。这个逻辑并不难，我们在代码的上方上锁，在finally中解锁。如果这时我们的队列是满的，就无法在继续添加任务了，这个时候我们就把当前线程挂起（注意我们的挂起条件）。如果队列不是满的话那我们就加入到队尾，同时把另一类挂起的线程唤醒（这类线程在队列为空的时候挂起，等待任务的添加）。

 // 生产者放入数据public void put(T t) {lock.lock();try {while (deque.size() == CAPACITY) {fullWaitSet.await();}deque.addLast(t);emptyWaitSet.signal();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}

在看看我们取任务的过程。同样加锁，当我们的队列为空的时候，线程挂起，等待任务的添加之后线程唤醒，如果队列不为空的话，我们从队列头部取出一个任务，并且唤起一类线程（这类线程在任务已经满了的时候无法在添加任务了，进行挂起，等待队列不为满）。

  // 消费者从线程池当中获取任务public T take(){T t = null;lock.lock();try {while(deque.size() == 0){emptyWaitSet.await();}t = deque.removeFirst();fullWaitSet.signal();}catch (Exception e){e.printStackTrace();}finally {lock.unlock();}return t;}

我们上边的代码展示的队列的存取的过程都是死等状态，什么是死等状态？就是任务添加不进去或者取不出来的时候，线程会被一直挂起。真实并不是如此，这里只是简单的展示。

阻塞队列需要的就是这两个存取的过程。

2.ThreadPool

先看看线程池当中的属性。把刚才创建的任务队列加进去，因为线程池要时常和任务队列沟通。然后创建了一个HashSet结构用于存储我们的线程。下边的都是我们线程池需要的一些参数了，拒绝策略在这里没有写。

    // 任务队列private BlockedQueue<Runnable> taskQueue;// 线程集合private HashSet<Worker> workers = new HashSet<>();//核心线程数private int coreSize;// 超时时间private int timeout;// 超时单位private TimeUnit timeUnit;

来看看我们的线程池是如何工作的吧，可以看到我们线程池保存的是Worker对象，我们来看看这个Worker对象是干啥的。这个Worker对象实现了Runnable接口，我们可以把这个类当作线程类，这个类中有一个task属性，因为我们线程池当中的线程是要获取任务执行的，这个任务就用这个task属性代表。

这个Worker类一直在干一件事情，就是不断地从我们的任务队列当中获取任务（Worker类是ThreadPool的内部类），如果获取的任务不为空的话就执行任务，一旦没有任务可以执行那么就把当前的线程从线程池当中移除。

class Worker implements Runnable{private Runnable task;public Worker(Runnable task){this.task = task;}@Overridepublic void run() {while(task!=null || (task = taskQueue.take())!=null){System.out.println("取出的任务是"+task);try {task.run();}catch (Exception e){e.printStackTrace();}finally {task = null;}synchronized (workers){workers.remove(this);}}}}

那什么时候用到这个Worker类呢？当我们调用ThreadPool中的execute()方法时，线程池中的线程会就调用这个run()方法。

来看我们的execute()方法。当我们的线程数小于我们的核心线程数的时候，我们可以直接创建一个新的线程，并且把我们的任务直接交给这个核心线程。反之我们不能创建，而是把任务添加到我们的任务队列当中，等待核心线程去执行这个任务。

 // 任务执行public void execute(Runnable task){synchronized (workers){if(workers.size() < coreSize){// 创建核心线程Worker worker = new Worker(task);workers.add(worker);Thread thread = new Thread(worker);thread.start();}else {taskQueue.put(task);}}}

写完了上边的代码我们测试一下。

 public static void main(String[] args) {ThreadPool threadPool = new ThreadPool(2,10,TimeUnit.MILLISECONDS,10);for(int i = 0;i<12;i++){int j = i;threadPool.execute(()->{System.out.println("当前线程"+Thread.currentThread().getName()+"task "+j+" is running");try {Thread.currentThread().sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});}}

方法运行了之后，即使任务全部执行，线程也不会结束。这是因为我们的worker类中的run方法调用了任务队列的take()方法，而take方法是会一直挂起的。

我们现在换一种带超时获取，在规定时间内获取不到任务就自动结束任务。这时候就用到我们传入的时间参数了，我们不再调用await()方法了，而是调用awaitNanos()方法，方法可以接收一个时间参数，这个方法可以消耗我们的nanos时间，在这个时间内如果获取不到的话线程就不在挂起了，这时还会进入到我们的while循环当中，判断我们的nanos是不是被消耗完了，如果被消耗完了就说明在规定时间内获取不到任务，直接return结束线程。

 // 带超时获取public T poll(int timeout,TimeUnit timeUnit){T t = null;lock.lock();try {long nanos = timeUnit.toNanos(timeout);while(deque.size() == 0){if(nanos <= 0){return null;}nanos = emptyWaitSet.awaitNanos(nanos);}t = deque.removeFirst();fullWaitSet.signal();}catch (Exception e){e.printStackTrace();}finally {lock.unlock();}return t;}

 修改Worker类。

 class Worker implements Runnable{private Runnable task;public Worker(Runnable task){this.task = task;}@Overridepublic void run() {while(task!=null || (task = taskQueue.poll(timeout,timeUnit))!=null){System.out.println("取出的任务是"+task);try {task.run();}catch (Exception e){e.printStackTrace();}finally {task = null;}synchronized (workers){workers.remove(this);}}}}

现在就可以正常结束了。

四、拒绝策略

全部代码如下。要使用拒绝策略，我们定义一个函数式接口，同时写一个参数传给线程池，参数的具体内容就是拒绝策略的拒绝方法，是我们自己定义的。

同时我们的execute()方法不在使用put来添加任务了，而是使用tryPut，如果大家对这一块感兴趣的话，可以在bilibili上观看黑马程序员的课程学习一下。

/*** 自定义线程池*/
public class TestPool {public static void main(String[] args) {ThreadPool threadPool = new ThreadPool(2,10,TimeUnit.SECONDS,10,((queue, task) -> {queue.put(task);}));for(int i = 0;i<12;i++){int j = i;threadPool.execute(()->{System.out.println("当前线程"+Thread.currentThread().getName()+"task "+j+" is running");try {Thread.currentThread().sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});}}
}/*** 拒绝策略*/
@FunctionalInterface
interface RejectPolicy<T>{void reject(BlockedQueue<T> queue,T task);
}
/*** 阻塞队列*/
class BlockedQueue <T>{//1.阻塞队列private Deque<T> deque = new ArrayDeque<>();//2.实现阻塞的锁private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();//3. 生产者等待条件private Condition fullWaitSet = lock.newCondition();//4.消费者等待条件private Condition emptyWaitSet = lock.newCondition();//5.阻塞队列的大小private  int CAPACITY;public BlockedQueue(int queueCapacity) {this.CAPACITY = queueCapacity;}// 生产者放入数据public void put(T t) {lock.lock();try {while (deque.size() == CAPACITY) {fullWaitSet.await();}deque.addLast(t);emptyWaitSet.signal();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}// 带超时添加public boolean offer(T t,int timeout,TimeUnit timeUnit) {lock.lock();long nanos = timeUnit.toNanos(timeout);try {while (deque.size() == CAPACITY) {if(nanos <= 0){return  false;}nanos = fullWaitSet.awaitNanos(nanos);}deque.addLast(t);emptyWaitSet.signal();return  true;} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}return true;}// 带超时获取public T poll(int timeout,TimeUnit timeUnit){T t = null;lock.lock();try {long nanos = timeUnit.toNanos(timeout);while(deque.size() == 0){if(nanos <= 0){return null;}nanos = emptyWaitSet.awaitNanos(nanos);}t = deque.removeFirst();fullWaitSet.signal();}catch (Exception e){e.printStackTrace();}finally {lock.unlock();}return t;}// 消费者从线程池当中获取任务public T take(){T t = null;lock.lock();try {while(deque.size() == 0){emptyWaitSet.await();}t = deque.removeFirst();fullWaitSet.signal();}catch (Exception e){e.printStackTrace();}finally {lock.unlock();}return t;}public void tryPut(RejectPolicy<T> rejectPolicy, T task) {lock.lock();try {if(deque.size()==CAPACITY){rejectPolicy.reject(this,task);}else{deque.addLast(task);emptyWaitSet.signal();}} finally {lock.unlock();}}
}
/*** 线程池*/
class ThreadPool{// 任务队列private BlockedQueue<Runnable> taskQueue;// 线程集合private HashSet<Worker> workers = new HashSet<>();//核心线程数private int coreSize;// 超时时间private int timeout;// 超时单位private TimeUnit timeUnit;//拒绝策略private RejectPolicy<Runnable> rejectPolicy;// 任务执行public void execute(Runnable task){synchronized (workers){if(workers.size() < coreSize){// 创建核心线程Worker worker = new Worker(task);workers.add(worker);Thread thread = new Thread(worker);thread.start();}else {// 任务队列//taskQueue.offer(task,timeout,timeUnit);taskQueue.tryPut(rejectPolicy,task);//taskQueue.put(task);}}}public ThreadPool(int coreSize, int timeout, TimeUnit timeUnit,int queueCapacity,RejectPolicy<Runnable> rejectPolicy){this.coreSize = coreSize;this.timeout = timeout;this.timeUnit = timeUnit;this.taskQueue = new BlockedQueue<>(queueCapacity);this.rejectPolicy = rejectPolicy;}class Worker implements Runnable{private Runnable task;public Worker(Runnable task){this.task = task;}@Overridepublic void run() {while(task!=null || (task = taskQueue.poll(timeout,timeUnit))!=null){System.out.println("取出的任务是"+task);try {task.run();}catch (Exception e){e.printStackTrace();}finally {task = null;}synchronized (workers){workers.remove(this);}}}}
}

这个代码我自己觉得是有些问题，因为如果我的任务队列大小有10的时候，我给出了13个任务，两个交给核心线程不占任务队列大小，另外10个任务正好占满，剩下一个放不进去，这时就会卡住不输出。---------未解决

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